सामग्री का परिचय: प्रकृति और गुण

(भाग 1: सामग्री की संरचना)

प्रो आशीष गर्ग

सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग

भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान, कानपुर

व्याख्यान - 38

ठोस में दोष (बिंदु दोष)

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इसलिए, अब हम व्याख्यान संख्या 38 से शुरू करते हैं, जो ठोस में दोषों पर है। इसलिए, यह हमारे पाठ्यक्रम का समापन भाग है जहां हम पिछले हैं, इसलिए ये तीन अंतिम व्याख्यान संरचना और सामग्रियों पर इस पाठ्यक्रम को समाप्त करेंगे । इसलिए, अब तक हमने जो सीखा है वह क्रिस्टल संरचनाओं, धातुओं की संरचना, अलॉय की संरचना, सहसंयोजक सामग्री की संरचना, सिरेमिक की संरचना, बहुलक और चश्मे की संरचनाओं के बारे में है और अंत में, हमने एक्स-रे विवर्तन का उपयोग करके सामग्रियों की संरचना या संरचना निर्धारण को देखा।

और फिर, लेकिन अब तक, हमने माना है कि संरचनाएं सही हैं, लेकिन संरचनाएं हमारे आसपास की हर चीज के विपरीत सही नहीं हैं। क्रिस्टल में खामियां हैं, जो है कि हम क्या इन अगले तीन व्याख्यान में के बारे में बात करने जा रहे हैं ।

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तो, सवाल यह है कि पहला सवाल यह है कि क्या क्रिस्टल परफेक्ट हैं?

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तो, हमें पहले पहले सवाल के साथ शुरू सही क्रिस्टल अच्छी तरह से कर रहे हैं । हमें पहले दोषों के बारे में बात करने से पहले, हमें पहले एक परिपूर्ण सामग्री में परमाणु व्यवस्था पर नजर रखना चाहिए । तो, हम कहते हैं कि हमारे पास एक सामग्री है जिसमें परमाणुओं को इस फैशन में व्यवस्थित किया जाता है, सब ठीक है। इसलिए यह आवधिक संरचना है। लेकिन यह सामग्री की पूरी मात्रा में आवधिक है।

इसलिए, चाहे वह 1एनएम हो, चाहे वह 10एनएम हो, चाहे वह 100एनएम हो, चाहे वह 1 मिमी हो या चाहे वह 10 मिमी या 1 मीटर हो, जहां भी आप देखते हैं, परमाणु व्यवस्था एक ही दिखती है । इसलिए, यह सामग्री की सतह के दौरान एक परत है, और कोई अन्य अभिविन्यास मौजूद नहीं है। इसलिए, यदि आप इस तरह के क्रिस्टल को देखते हैं, तो कहा जाता है, इसलिए यदि आप इस तरह के क्रिस्टल खींचते हैं, उदाहरण के लिए, एक क्रिस्टल यह हो सकता है। यह आपका क्रिस्टल है। आयाम तो हैं, ये स्थूल आयाम हैं, और क्रिस्टल के चेहरों पर, परमाणु व्यवस्था हर जगह एक ही है ।

इसलिए, यदि यह यहां है, यदि यह यहां है, चाहे आप यहां देखें या यहां, यह वहां एक ही है । इसलिए, इस सतह पर परमाणु व्यवस्था एक ही है, इसी तरह इस सतह पर । इसलिए, इसे एक क्रिस्टल कहा जाता है, और परमाणुओं की व्यवस्था में कोई विच्छेदन नहीं होता है और यह पूरे क्रिस्टल में एक समान होता है, इसे एक क्रिस्टल कहा जाता है। इसलिए इन्हें सिंगल क्रिस्टल कहा जाता है।

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अब ज्यादातर मौकों पर जिंदगी हम पर बहुत मेहरबान नहीं होती। वास्तव में क्या होता है, कई मामलों में, सामग्री इस तरह से कर रहे हैं, आप इस तरह की मात्रा संलग्न है । एक मात्रा के भीतर आप इस फैशन में परमाणुओं की व्यवस्था हो सकती है। अगली मात्रा कुछ इस तरह से हो सकता है, और अगले एक में ऐसा हो सकता है, आप देख सकते है कि यहां अभिविन्यास में एक अलग परिवर्तन सही है ।

यह एक अलग दिशा है, और यह एक अलग दिशा है, और यह एक अलग दिशा है । आप देख सकते हैं कि वॉल्यूम में क्रिस्टल के अभिविन्यास में एक अलग या परिवर्तन है। इसलिए, परिणामस्वरूप, यदि आप इसे कई क्षेत्रों में विभाजित करते हैं तो आपके पास ऐसा है । हमें कहना है कि ये क्षेत्र हैं, यहां यह इस तरह है, और यहां यह कुछ और अभिविन्यास हो सकता है । यदि मैं केवल बंद पैक दिशा लेता हूं, तो इस मामले में, यह यहां होता है, इस मामले में यह यहां होता है, इस मामले में यह यहां होता है, इस मामले में यह यहां होता है । इसलिए, यह सभी जगह सही है। इसलिए, एक ही एच के एल दिशा में विभिन्न स्थानों और इन क्षेत्रों में एक अलग अभिविन्यास है जो विभिन्न क्रिस्टल अभिविन्यास के विभिन्न क्षेत्रों को चित्रित करते हैं उन्हें अनाज की सीमाएं कहा जाता है, और इन्हें अनाज कहा जाता है। इसलिए, एक समान अभिविन्यास के एक क्षेत्र को अनाज कहा जाता है, और जहां दोनों क्षेत्रों के बीच अभिविन्यास अचानक बदलता है, उन्हें अनाज की सीमाएं कहा जाता है ।

तो यह एक अनाज है, यह अनाज है, यह अनाज है, यह अनाज है, और ये क्षेत्र हैं उनके बीच की सीमाएं हैं कि विच्छेदन दोनों के बीच अचानक होता है अनाज सीमा कहा जाता है । इसलिए, इसे पॉलीक्रिस्टल कहा जाता है, और आप पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री कह सकते हैं, अधिकांश सामग्री पॉलीक्रिस्टलाइन होती है। इसलिए, अधिकांश सामग्रियों में अनाज की सीमाएं मौजूद हैं।

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और कुछ मामलों में, आपके पास परमाणु संरचना हो सकती है, जो कोई आवधिकता नहीं है, कम से कम लंबी दूरी की आवधिकता नहीं है, और परिणामस्वरूप, इसे असंगत या शीशे का ठोस कहा जाता है। इसलिए, ये सामग्रियों के तीन वर्ग हैं जो लंबाई के तराजू पर निर्भर हैं, जिन पर परमाणुओं को कुछ फैशन में व्यवस्थित किया जाता है।

तो, एक ही क्रिस्टल में और परमाणुओं को लंबी लंबाई के तराजू में एक समान अभिविन्यास में व्यवस्थित किया जाता है, यही एक क्रिस्टल बनाता है। यह विशिष्ट अभिविन्यास, परमाणुओं की एक विशिष्ट व्यवस्था के हर चेहरे पर सतहों भर में एक समान अभिविन्यास है।

एक पॉलीक्रिस्टल में, व्यवस्था केवल एक अनाज के भीतर जारी रहती है, अनाज का आयाम कुछ एनएम से आम तौर पर कुछ माइक्रोन के बीच भिन्न हो सकता है। यह सब कुछ मिमी हो सकता है, लेकिन आम तौर पर यह माइक्रोन तक सीमित है, कुछ एनएम से कुछ माइक्रोन तक। यह एक पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री है। जिस क्षण यह मिमी में जाता है, हम इसे अर्ध एकल क्रिस्टल कहते हैं क्योंकि आप सामग्री को छोटे एकल क्रिस्टल में तोड़ सकते हैं।

इसलिए, यही कारण है कि हम कहते हैं कि यह कुछ सैकड़ों माइक्रोन के लिए कुछ एनएम है । और फिर हम बिल्कुल कोई आवधिकता या कोई लंबी दूरी की आवधिकता है । 5एनएम या जैसे छोटे पैमानों पर आवधिकता हो सकती है, लेकिन जिस क्षण आप उस बाधा को पार करते हैं, यह कोई आवधिकता नहीं है, ये असंगत संरचनाएं हैं। इसलिए, उदाहरण के लिए, इस संरचना में इन क्षेत्रों में एक विच्छेदन है, ये क्षेत्र दोष हैं जिन्हें अनाज की सीमाएं कहा जाता है । लेकिन कई अन्य प्रकार के दोष हैं जो सामग्रियों में मौजूद हैं जैसा कि हम अगली कुछ स्लाइड्स में देखेंगे।

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तो, दोषों का सबसे अच्छा अभ्यावेदन में से एक क्या हम एक बुलबुला बेड़ा मॉडल कहा जाता है में देखा जा सकता है । तो, आप क्या करते हैं कि आप साबुन का पानी लेते हैं, एक सिरिंज का उपयोग करके बुलबुले बनाता है, साबुन के पानी में हवा उड़ाता है और फिर दो राफ्ट लाता है। इसलिए, राफ्ट इस तरह स्थित हैं। यह आपका तरल है, ये आपके राफ्ट हैं जो राफ्ट को एक दूसरे के करीब लाते हैं। इसलिए, सभी बुलबुले एक क्षेत्र के भीतर हैं, इसलिए दो राफ्टों को करीब लाने के लिए, और फिर आप साबुन देखेंगे क्योंकि प्रत्येक बुलबुले को परमाणु के रूप में माना जा सकता है, और फिर आप एक आवधिक स्थान के भीतर इन बुलबुले की व्यवस्था देखते हैं कि यह कैसा दिखता है। यह एक जाली में व्यवस्थित परमाणुओं की तरह बहुत ज्यादा दिखता है, लेकिन यह आपको दोष की तरह दिखाएगा, उदाहरण के लिए, यह पैदा करता है कि मैं आपको स्लाइड दिखाऊंगा जहां आप इसकी कल्पना कर सकते हैं।

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उदाहरण के लिए, एक बुलबुला बेड़ा तरह है कि आप बुलबुले एक साथ लाने के द्वारा बनाया गया। तो, आप देख सकते हैं कि अचरज वे देखो के रूप में यदि आप जानते हैं कि आप परमाणुओं का एक गुच्छा है, लेकिन इन परमाणुओं जब वे एक दूसरे के करीब आते हैं सही नहीं हैं, इन परमाणुओं की व्यवस्था सही नहीं है। उदाहरण के लिए, आप यहां बैठे एक छोटे से बुलबुले को देख सकते हैं। यह एक छोटी सी अशुद्धता सही मध्याश्रक परमाणु की तरह है, और आप सही पक्ष पर यहां एक लापता परमाणु है, तो, सही पक्ष पर यह एक । अब मुझे कलम का इस्तेमाल करने दीजिए। तो, यह लापता बुलबुला है, जो एक लापता परमाणु की तरह है। आपके पास यह छोटी सी चीज है जो एक छोटे आकार के मध्यवर्ती परमाणु की तरह है, और जब आप इन पंक्तियों में एक साथ शामिल होते हैं तो आप देखते हैं कि यहां आपके पास परमाणुओं की पांच पंक्तियां हैं, और यहां आपके पास परमाणु की चार पंक्तियां हैं। इसलिए, एक अतिरिक्त पंक्ति है जिसे बीच में कुचल दिया गया है, और इसी तरह, यदि आप एक करीबी विश्लेषण करते हैं, तो आप इस बबल बेड़ा मॉडल में बहुत सारे दोष देख सकते हैं।

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ऐसा करने का एक और तरीका यह कल्पना करना है कि छोटे धातु की गेंदें, सैकड़ों, और उन्हें दो प्लास्टिक प्लेटों के बीच रखा जाए, और प्लास्टिक प्लेटों के बीच की दूरी धातु की गेंद के समान होगी। और तुम बाड़े बनाने के लिए इतना है कि यह धातु गेंदों से भरा है और फिर हिला, यह सिर्फ गेंदों के लिए एक मामूली खाली जगह छोड़ देता है चारों ओर ले जाने के लिए और फिर आप इसे हिला और फिर उंहें एक दूसरे के शीर्ष पर बसने, और आप में बनाने दोषों के सभी प्रकार देखेंगे, तो, उंहें दो पारदर्शी प्लास्टिक प्लेटों के बीच डाल दिया ।

तो, यह एक प्लेट है, यह एक और प्लेट है, और प्लेटों के बीच की दूरी गेंद के व्यास के समान है। इसलिए, यह मोटाई की दूरी है, और टी लगभग डी के बराबर है। कुछ वॉल्यूम मुक्त छोड़ दें ताकि गेंदें घूम सकें। इसे हिलाएं और फिर गेंदों को व्यवस्थित करने की अनुमति दें और फिर व्यवस्था का निरीक्षण करें क्योंकि प्रत्येक गेंद को परमाणु के रूप में माना जा सकता है।

आप एक समान पैटर्न देखेंगे जैसा कि मैंने आपको पिछली स्लाइड में यहां दिखाया था। इसलिए, आप यहां जो देखते हैं, वह इसमें बहुत अधिक दोहराया जाएगा । इसलिए, यह एक ऐसा प्रयोग है जिसे आप घर पर कर सकते हैं। बबल बेड़ा मॉडल आप भी देख सकते हैं, आप यूट्यूब पर जा सकते हैं, और बुलबुला बेड़ा मॉडल का उपयोग करके बहुत सारे प्रयोग किए गए हैं जिन्हें आप देख सकते हैं। इसलिए, यदि आप इस अभ्यास को करते हैं तो हम देखेंगे कि कुछ प्रकार के दोष हैं जिनका हम पालन करते हैं ।

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हम जिन दोषों का पालन करते हैं, उन्हें तीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया जाता है । हम जिस पहली तरह के दोष का पालन करते हैं, उसे बिंदु दोष या शून्य-आयामी दोष कहा जाता है। हम जो देखते हैं वहां एक लापता परमाणु है, जिसे रिक्ति कहा जाता है । तो, हम ज्यादातर धातुओं के मामले में बात करने जा रहे हैं, लेकिन एक ही चीनी मिट्टी की चीज़ें के बारे में सच हो सकता है के रूप में अच्छी तरह से, लेकिन यकीन है कि सिरेमिक बिजली तटस्थ है ।

तो, आपके पास एक लापता परमाणु है, और फिर आपके पास एक मध्यनिर्शियल परमाणु हो सकता है, और आपके पास एक प्रतिस्थापन परमाणु हो सकता है। यह धातुओं और अन्य सामग्रियों के मामले में सच होगा। सिरेमिक के मामले में, आप भी हो सकते हैं आपको फ्रेंकेल दोष और शॉटकी दोष, आयनिक ठोस जैसे दोष हो सकते हैं।

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आयामों के संदर्भ में दोषों का दूसरा स्तर 1-डी दोष होगा, इन्हें रेखा दोष भी कहा जाता है। इसलिए, यहां श्रेणियां किनारे अव्यवस्था और पेंच अव्यवस्था हैं, और दोषों की तीसरी श्रेणी को 2-डी दोष कहा जाता है या जिन्हें सतह दोष कहा जाता है, और यहां हम अनाज की सीमाओं जैसे दोषों की बात करते हैं । सामान्य तौर पर, सतहें इसलिए होती हैं क्योंकि उनके पास झूलने वाले बंधन होते हैं; इसीलिए ये दोष भी हैं।

सामान्य सतहों में, आपके पास जुड़वां सीमाएं हो सकती हैं, आप स्टैकिंग दोष आदि हो सकते हैं। कई अन्य 2-डी प्रकार के दोष हैं। शायद उन सभी पर चर्चा नहीं कर पाएंगे, लेकिन हम उनमें से कुछ को देखेंगे ।

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तो, अब, हम पहले बिंदु दोषों के साथ शुरू करते हैं । इसलिए इस श्रेणी में दोषों को हम पहले रिक्तियों पर विचार करते हैं। वे एक आवधिक संरचना बनाते हैं, और अगर उनमें से एक बाहर चला जाता है, हमें कहना है कि इस आदमी को बाहर चला जाता है । इसलिए, यह एक रिक्ति है। आप एक आत्म अंतराण हो सकता है, उदाहरण के लिए, आप इस फैशन में फिर से एक संरचना हो सकता है ।

वहां एक परमाणु है जो कहीं एक ही प्रकार के यहां कुचल दिया है, यह कहीं यहां कुचल है, एक परिणाम के रूप में, यह कुछ हद तक जाली फैला हुआ है । अत जाली विरूपण होता है इसे स्वैरक्त कहते हैं। इसलिए, जैसा कि आप देख सकते हैं, यदि आपके पास कोई रिक्ति है तो जाली के आसपास आपके पास कुछ विकृति होगी। इससे विकृति आएगी। यह एक तनाव क्षेत्र इसी तरह होगा अगर आप इस परमाणु यह विरूपण सही करने के लिए नेतृत्व करेंगे ।

इसलिए, एक मामले में, आपके पास कंप्रेसिव तनाव होगा, दूसरे मामले में आपके पास तन्य तनाव होगा। यहां आप जाली का विस्तार करेंगे, नतीजतन तनाव कम दमनकारी तनाव होगा। यहां आप जाली सेक करेंगे, जिसके परिणामस्वरूप तनाव तन्य तनाव होगा। इसलिए, वे अपने स्वयं के तनाव क्षेत्रों में ले जाएंगे। इसलिए ये दो तरह के दोष हैं। एक और प्रकार के दोष प्रतिस्थापन परमाणु हो सकते हैं ।

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तो, यह एक धातु या सामग्री की अपनी सामान्य संरचना है, और हमें कहना है कि मैं एक अलग से एक की जगह । इसलिए, यह मेरा एक प्रतिस्थापन परमाणु होगा। यह भी एक बिंदु दोष है, इस परमाणु के आकार पर निर्भर करता है कि तन्य या संपीड़न तनाव पैदा कर सकते हैं । आप यहां बैठे एक अंतर-तमक कर सकते हैं। फिर यह शून्य आकार के संबंध में इस परमाणु के आकार के आधार पर तनाव को जन्म देगा।

इसलिए, ये विभिन्न दोष हैं जो आपके पास हो सकते हैं। ये दोष एक साथ मौजूद हो सकते हैं। वे स्वतंत्र रूप से मौजूद हो सकते हैं, जो आपके द्वारा सामग्री में मौजूद अशुद्धियों के प्रकार पर निर्भर करता है। आयनिक ठोस के मामले में, क्या हो सकता है कि, ऐसा करने के मामले में, ये दोष हैं जो सभी प्रकार की सामग्रियों में मौजूद हैं।

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जहां तक आयनिक ठोस हमें कहना है कि आप एक आयनिक ठोस है संबंध है । तो, पहला आयनिक ठोस आयनिक ठोस में सबसे अच्छा है जिसे हम जानते हैं कि एनएसीएल है। इसलिए, एनएसीएल में हम जानते हैं कि सीएल आमने-सामने जाता है, और सोडियम मध्यवर्ती स्थलों पर जाता है, जो ये हैं । अब, यहां क्या हो सकता है कि यदि आप इन परमाणुओं में से एक को हटा देते हैं, तो विद्युत तटस्थता को बनाए रखने के लिए यह भी दूर हो जाता है।

तो, एक परिणाम के रूप में, तुम क्या होगा तुम यह खाली के रूप में होगा । तो, यह है वी_{सेंटीलीटर}, और तुम यहाँ क्या होगा ना है, और इन आरोप लगाया जाता है, वी_{सेंटीलीटर} सीएल आयन के रूप में विपरीत आरोप लगाया है। इसलिए, इसे सकारात्मक रूप से चार्ज किया जाएगा, इसे नकारात्मक रूप से चार्ज किया जाएगा, और इसे इनमें से जोड़ी कहा जाता है जिसे शॉटकी दोष कहा जाता है।

तो, सोडियम क्लोराइड के मामले में, यह वी होगा_ना और वी_{सेंटीलीटर}. कैल्शियम फ्लोराइट के मामले में यह वी होगा_{के आसपास}एक^-2 और 2 वी_{स्‍त्री-विषयक}⁺¹. यदि आपके पास Fe है₂हे₃, यह होगा, इसलिए, आपके पास मूल रूप से ऑक्सीजन की 3 रिक्तियां हैं जो आपको आयरन रिक्तियों के 2 और 2 के अलावा देंगी जो शून्य से 3 होंगी । चार्ज तटस्थता बनाए रखें, प्रभारी तटस्थता बनाए रखें। इसलिए, आपके पास Fe2O3 है, जो यह कहने के अनुरूप है कि आपके पास 3VO है₂⁺², वीएफई³⁺. तदनुसार आप एक ठोस एक के लिए हो सकता है_लाखपर आप तदनुसार ठीक लिखा सूत्रों हो सकता है। तो इसी तरह आप एओ के लिए लिख सकते हैं₂ और इस तरह की बातें । तो, इस तरह से आप स्कूटी दोष लिखते हैं, फिर आपको फ्रेंकेल दोष हो सकते हैं।

(स्लाइड समय देखें: 24:48)

फ्रेंकेल दोष अन्य प्रकार के दोष हैं, जिसमें यदि आपके पास ठोस एक्स है, तो एक्स साइट से एक्स एक्स इंटरस्टिटियल में जाता है, जिससे एक्स की रिक्ति पैदा होती है। चूंकि एक्स एक सेंश है। इसलिए इस मामले में शी पर नकारात्मक आरोप लगाए जाएंगे । तो, हमें कहना है कि अगर यह 1 चार्ज है, तो यह होगा-1, और यह + 1 होगा । यदि आप इस तरह की संरचना कर सकते हैं, तो इंटरस्टिशियल आयन, एक्स, इससे गायब हो गया है, अपनी साइट है। तो, यह अब आप खाली कह सकते हैं, यह VX है, यह कहीं चला गया है यहां हमें कहना है कि यह आपके एक्स है_मैं. इसलिए, यह आपका अंतर-अंतर है और यह एक रिक्ति है। इसे एक फ्रेंकेल दोष कहा जाता है, और एक और श्रेणी है जिसे एंटी-फ्रेंकेल दोष कहा जाता है, जहां एक सियन और यह होता है कि यदि ऐसा होता है तो Cations के साथ भी ऐसा ही होता है। इसलिए, आपके पास क्या हो सकता है, आयन अंतरस्थानीय, और फिर रिक्ति है। इसलिए, आयनिक ठोस के मामले में विभिन्न प्रकार के दोष संभव हैं, आपको उस आवेश तटस्थता को बनाए रखना चाहिए।

(स्लाइड समय देखें: 26:44)

इसलिए, आयनिक ठोस के मामले में, आपको यह सुनिश्चित करने की आवश्यकता है कि आवेश तटस्थता बनाए रखी जाए और द्रव्यमान का संरक्षण किया जाए। इसलिए, यह बिंदु दोषों के बारे में है। हम आगे क्या करेंगे सामग्री में बिंदु दोषों की एकाग्रता पर कुछ चर्चा है क्योंकि और हम यह भी देखेंगे कि इन दोषों संतुलन दोष है जिनकी एकाग्रता तापमान से निर्धारित होता है ।

इसलिए, परिमित तापमान पर, हर सामग्री में एक बिंदु दोष होगा चाहे स्थिति क्या हो। इसलिए, ये सभी बिंदु दोष हैं, जैसा कि हम बाद में उनके थर्मोडायनामिक दोषों पर देखेंगे। आप उन्हें खत्म नहीं कर सकते, आप तापमान को बदलकर उनकी एकाग्रता को कम कर सकते हैं, लेकिन वे मौजूद हैं। इसलिए, हम यह करेंगे कि हम अगले व्याख्यान में एक सरल थर्मोडायनामिक विश्लेषण करेंगे और सामग्रियों में उनकी एकाग्रता की गणना करेंगे।